第一章 緒 論

1.1 課題來源與項目概況
此研究來源于山東省省級水利科研項目：基于回灌補源的平原地區(qū)高效生態(tài)農(nóng)田水利工程技術(shù)研究（項目編號：SDSLKY201310）。該項目針對我省大部分平原井灌區(qū)存在的淺層地下水超采并導(dǎo)致大面積地下水漏斗區(qū)及地面沉降等災(zāi)害、灌溉農(nóng)業(yè)水供需矛盾尖銳、設(shè)計灌溉保證率低僅有 50%、一遇枯水年作物灌溉用水要求無法滿足等問題，選擇黃泛平原地區(qū)為研究示范區(qū)，以水生態(tài)平衡為原則，結(jié)合現(xiàn)有田間節(jié)水灌溉和排水及配套設(shè)施的建設(shè)，強化水源的引、蓄、滲工程。該項目包括高效可管理含水層補給技術(shù)體系和農(nóng)業(yè)灌溉含水層補給指南兩部分研究內(nèi)容。第一部分針對一定水文地質(zhì)條件平原農(nóng)業(yè)井灌地區(qū)地下水超采問題且有短時相機引當(dāng)?shù)匮雌谟旰樗虻乇砜退畻l件，以我國清代山東省桓臺縣的洞井為基礎(chǔ)，利用土壤水和地下水運動理論作為分析方法，確定工程水力設(shè)計參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)代工程和材料，研制開發(fā)出一套高效可管理的含水層補給技術(shù)，并建立一定范圍的試驗小區(qū)，目的是將地表水及時轉(zhuǎn)化為地下水，利用含水層儲存，進行年內(nèi)或年際調(diào)節(jié)，恢復(fù)地下水超采漏斗，控制地下水位，增加農(nóng)業(yè)供水量，提高灌溉供水保證率，達到旱、澇、堿綜合治理，轉(zhuǎn)變農(nóng)田水利工程由單純的節(jié)水、排水為引、蓄、滲、節(jié)、灌、排的綜合體系；第二部分是通過山東省補源工程調(diào)查研究，總結(jié)各類地下水補源工程類型的優(yōu)缺點，借鑒澳大利亞含水層補給指南，提出具有一定指導(dǎo)意義的農(nóng)業(yè)灌溉含水層補給管理指南。
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1.2 研究目的與意義
山東省是農(nóng)業(yè)大省，，是我國糧食的主要生產(chǎn)省之一，同時也是農(nóng)業(yè)用水大省，在保證我國糧食生產(chǎn)安全方面，水具有舉足輕重的作用。平原區(qū)占我省總土地面積的一半，農(nóng)業(yè)灌溉以地下水為主，水資源供需矛盾尖銳，地下水超采嚴重。山東省平原井灌區(qū)，大氣降水是地下水的主要補給來源，年平均降水入滲系數(shù)為 0.25，按照地下水多年平均采補平衡的原則，僅靠開采每畝土地上的降雨入滲補給量不能滿足正常產(chǎn)量下的作物需水，需要襲奪地下水側(cè)向徑流量、非農(nóng)業(yè)土地面積下的淺層地下水、河流、溝渠滲漏量或者增加引用地表灌溉用水量。特別是近年來，我省工業(yè)化和城市化進程加快，工業(yè)用水和生活用水的需求量出現(xiàn)急劇上升趨勢，而且供水保證率要求高，工業(yè)和生活新增水量大量擠占農(nóng)業(yè)用水，加重了農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾。在地下水資源不能完全滿足灌溉用水需要的地區(qū)，解決措施之一就是將多余洪水或地表徑流通過溝渠引進并蓄存，通過促滲工程補給到含水層中，利用含水層作為庫容進行多年或年調(diào)節(jié)，結(jié)合地下水開采工程，及時有效增加灌溉水量，提高供水保證率，并與排水工程結(jié)合控制澇、漬、鹽堿災(zāi)害，達到節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)的目的�？傊�，在平原地區(qū)采取溝、渠、坑塘、滲井等一系列的回灌措施，充分利用地面水、雨水，建立地下水庫，將節(jié)水工程與地下水回灌補源工程結(jié)合起來，積極開發(fā)淺層地下水，做到三水在時空上的聯(lián)合調(diào)度運用，形成高效的水資源開發(fā)-利用-節(jié)約-配置體系，根治旱、澇、堿三大自然災(zāi)害，對我省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全保障具有重要意義。
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第二章 區(qū)域及項目區(qū)概況

本章通過收集項目區(qū)已有資料，概述了項目區(qū)的自然地理概況和區(qū)域水文地質(zhì)和工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)有農(nóng)田水利工程現(xiàn)狀，為本項目基于回灌補源的農(nóng)田水利工程的設(shè)計與施工打下基礎(chǔ)。

2.1 自然地理概況

2.1.1 地理位置
臨清市位于魯西北平原，隸屬山東省聊城市，東部與高唐、茌平縣相隔馬頰河，西部與河北省臨西縣以衛(wèi)運河為界隔河相望，南部與東昌府區(qū)、冠縣相鄰，北部與德州市夏津縣分別接壤。市域南北長約 25km，東西寬約 47km，總面積 960 km2。臨清市及項目區(qū)具體地理位置見圖 2.1。車莊溝為魯北平原中小河道，屬海河流域漳衛(wèi)運河水系，為衛(wèi)運河的重要支流之一，位于臨清市西南部陳公堤以東的大沙河河槽洼地，原是黃河故道，經(jīng)歷代群眾排水疏浚而成一條南北向的排澇溝。起源于冠縣清水鎮(zhèn)前肖莊村，流經(jīng)冠縣清水鎮(zhèn)和臨清市潘莊鎮(zhèn)、八岔路鎮(zhèn)、唐園鎮(zhèn)及青年街道，在青年街道車莊村東北匯入衛(wèi)運河，全長 28km，流域面積 222.7km2，其中臨清市境內(nèi)長 25km，流域面積 199.7km2。本項目的研究區(qū)選在臨清市八岔路鎮(zhèn)萬莊村的一塊農(nóng)田中，車莊溝支流流經(jīng)該農(nóng)田。車莊溝流域正位于聊城市西北部的黃河故道上（即大沙河），屬魯西黃河沖積平原，地勢平坦。該區(qū)域內(nèi)地面傾斜方向基本自西南向東北微傾斜，海拔標高在 37.3-32.63m之間，相對高差為 4.67m，平均坡降約 1/7000。歷史上黃河的多次改道導(dǎo)致了該區(qū)域高中有洼、洼中有崗的微地貌，大量黃河泥沙下泄，沉淀，大面積土地沙化。區(qū)域自西南至東北有一條長 55km 的黃河故道，土壤類型主要是飛沙土類。
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2.2 區(qū)域水文地質(zhì)與工程地質(zhì)條件

根據(jù)當(dāng)?shù)?80 年代的水文地質(zhì)調(diào)查圖集及以往地下水普查及鉆井資料可知：地下水類型主要為松散層類孔隙水。上層為淡水，下層為咸水。其中，最具有供水意義的是上層（淺層潛水-微承壓水），即淺層地下水，厚度約為 60m。60m 深度內(nèi)的巖性可分為上、中、下三部分，上部，埋深區(qū)間 0~15m 為亞砂土、粘土互層，其中 8~15m 局部有粘性土分布，構(gòu)成包氣帶和水位變動帶；中部 15~35m 是儲存淺層潛水-微承壓水的主要部位，主要由粉細砂、細砂、中粗砂組成，含水層頂板埋藏深度為 15-20m，含水砂層厚度為20~25m，因其厚度大、顆粒粗、含水性好，分布穩(wěn)定，成為本區(qū)最主要的供水含水層；下部 35-60m 總的特點是亞砂土夾粉細砂，間有細砂層，形成了一個較為穩(wěn)定的含水層。目前條件下，該區(qū)淺層地下水主要補給方式為大氣降水、引黃灌溉及渠道側(cè)滲補給。其中降水入滲補給占總補給量的 70~80%，是淺層地下水的主要補給來源，但由于降水年內(nèi)年際間變化較大，使其入滲補給在時間分配上相差較大，形成了汛期降水集中而大強度補給，枯水期補給量很少或無補給的特點。灌溉回滲補給也是重要補給量。根據(jù)灌溉水源分為引黃灌溉回滲和地下水灌溉回滲。區(qū)內(nèi)的尚潘渠、友誼渠均是引水和排洪渠道，在引水及汛期補給地下水，干枯期間與地下水無聯(lián)系。地下水徑流主要受控于不均勻的開采強度、地表水文和地形地貌因素。地下水徑流方向基本上與地形傾斜方向一致，由西南向東北緩慢流動，水力坡度 2/10000～4/10000。該區(qū)地下水排泄方式主要是人工開采和水面蒸發(fā)，人工開采占淺層地下水排泄量的比重越來越大，是本區(qū)主要排泄量之一。

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第三章 基于回灌補源的農(nóng)田水利工程總體布局.........17
3.1 項目區(qū)工程條件......17
3.2 工程總體布局..........22
3.3 本章小結(jié).........25
第四章 平原漏斗區(qū)高效生態(tài)含水層補給工程設(shè)計.....27
4.1 高效生態(tài)含水層補給工程形式設(shè)計..........27
4.2 明溝-地下濾水管-豎井含水層補給系統(tǒng)水力參數(shù)設(shè)計......28
4.2.1 滲流理論及計算.....29
4.2.2 水力參數(shù)設(shè)計及優(yōu)化......41
4.3 明溝-地下濾水管-豎井含水層補給系統(tǒng)防堵塞技術(shù)..........46
4.4 地下濾水管及豎井的選擇........47
4.5 本章小結(jié).........48
第五章 明溝-地下濾水管-豎井回灌工程效益分析......49
5.1 經(jīng)濟效益分析..........49
5.1.1 國民經(jīng)濟評價.........49
5.1.2 財務(wù)評價........50
5.2 生態(tài)效益分析..........51
5.3 社會效益分析..........51
5.4 本章小結(jié).........52

第五章 明溝-地下濾水管-豎井回灌工程效益分析

為使含水層補給工程的建設(shè)和運行質(zhì)量都得到提高，達到回灌工程經(jīng)濟合理、效益最大的目的，從經(jīng)濟、生態(tài)和社會效益方面對工程進行綜合評價十分必要。

5.1 經(jīng)濟效益分析經(jīng)濟效益分析
一般包括國民經(jīng)濟評價和財務(wù)評價。國民經(jīng)濟評價是從整體考慮工程產(chǎn)生的效益和費用。財務(wù)評價是單純考慮項目的收入和費用。該平原漏斗區(qū)高效生態(tài)含水層補給工程產(chǎn)生的國民經(jīng)濟效益包括增加地下水補給量，節(jié)省引黃灌溉水效益、節(jié)省引水管網(wǎng)設(shè)施的運行費用、節(jié)省防洪除澇設(shè)施的費用。（1）與地面節(jié)水灌溉設(shè)施相結(jié)合，提高灌溉水效益據(jù)調(diào)查，項目區(qū)種植結(jié)構(gòu)為綠化樹、果樹以及經(jīng)濟作物，節(jié)水灌溉措施為噴灌，該灌溉形式畝次灌溉用水量為 50m3，每年普遍澆 4 次水，平均每年凈效益為 5 萬元，其中水占整個凈效益的 0.4，其中項目區(qū)面積為 100 畝。該回灌工程一次引水期間可以增加 15000 m3的地下水，四次引水可增加 60000 m3地下水量，因此該回灌系統(tǒng)與地面節(jié)水灌溉設(shè)施相匹配，取得直接經(jīng)濟效益為 6 萬元。（2）避免洪災(zāi)澇災(zāi)引起的經(jīng)濟損失由于該工程形式可以把河道多余雨洪水回灌到地下，而且能夠控制水位在防鹽漬化水位以下，能夠?qū)崿F(xiàn)旱、澇、堿綜合治理的目的，因此可以間接避免澇災(zāi)帶來的損失。據(jù)調(diào)查，澇災(zāi)給該項目區(qū)將帶來的損失為 500 元/畝。由于該工程控制面積為 100 畝即66667m2，所以可減少的防洪除澇費為 5 萬元。
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結(jié)論

本文針對平原井渠結(jié)合灌區(qū)地下水漏斗問題，參考桓臺洞井回灌補源原理，提出了明溝-地下濾水管-豎井含水層補給技術(shù)體系。在所收集及調(diào)查資料的基礎(chǔ)上，借鑒澳大利亞含水層補給管理指南對該工程在所選項目區(qū)的可行性進行了評價；通過水力學(xué)、土壤水動力學(xué)和地下水動力學(xué)等理論對該工程實施方案和水力參數(shù)進行設(shè)計，并計算其回灌效果。目的是能夠研發(fā)出一套能同時解決回灌效率和堵塞問題，且能實現(xiàn)、旱、澇堿綜合治理的高效生態(tài)的含水層補給技術(shù)。該研究所得結(jié)論如下：
（1）從所收集的氣象、水文、水文地質(zhì)等當(dāng)?shù)刭Y料，物探、勘探、雙環(huán)滲透試驗等實地調(diào)查和野外試驗結(jié)果以及水質(zhì)測驗和土工試驗結(jié)果，可看出該項目區(qū)選址具有代表性，其地層、水質(zhì)等條件都較適合回灌，并借鑒澳大利亞含水層補給管理指南評價該工程的可行性，評價結(jié)果表明該工程在臨清市八岔路鎮(zhèn)車莊溝難度較小，可行性強。
（2）利用水力學(xué)、土壤水動力學(xué)和地下水動力學(xué)等相關(guān)理論，初步設(shè)計出該回灌系統(tǒng)的施工參數(shù)，包括前置過濾池尺寸、地下濾水管埋深、管長、管徑、管材、坡度等參數(shù)。并通過計算定量地了解了回灌效果，計算結(jié)果表明該明溝-地下濾水管-豎井回灌系統(tǒng)在一定程度上有利于地下水位的恢復(fù)，并通過水量平衡計算分析出車莊溝為回灌工程提供了充足的回灌水源。
（3）明溝-地下濾水管-豎井高效生態(tài)的地下水回灌系統(tǒng)，在溝渠滲漏和灌溉回歸水補給地下水的基礎(chǔ)上，進一步通過地下濾水管滲漏增加了地下水補給量，擴大了地下水補給范圍，同時利用前置過濾裝置、暗管以及豎井三道防堵塞措施來防治懸浮物物理堵塞，保證了該回灌工程的使用壽命。
（4）通過第五章效益分析可知，該回灌系統(tǒng)與地面節(jié)水灌溉系統(tǒng)相結(jié)合，具有顯著的經(jīng)濟效益，而且具有重要的生態(tài)和社會效益。
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參考文獻(略)

本文編號：54929